浅谈文字编码和Unicode（下）

3 字符编码模型

程序员经常会面对复杂的问题，而降低复杂性的最简单的方法就是分而治之。Peter Constable在他的文章"Character set encoding basics Understanding character set encodings and legacy encodings"中描述了字符编码的四层模型。我觉得这种说法确实可以更清晰地展现字符编码中发生的事情，所以在这里也介绍一下。

3.1 字符的范围（Abstract character repertoire）

设计字符编码的第一层就是确定字符的范围，即要支持哪些字符。有些编码方案的字符范围是固定的，例如ASCII、ISO 8859 系列。有些编码方案的字符范围是开放的，例如Unicode的字符范围就是世界上所有的字符。

3.2 用数字表示字符（Coded character set）

设计字符编码的第二层是将字符和数字对应起来。可以将这个层次理解成数学家（即从数学角度）看到的字符编码。数学家看到的字符编码是一个正整数。例如在Unicode中：汉字“字”对应的数字是23383。汉字“”对应的数字是134192。

在写html文件时，可以通过输入"字"来插入字符“字”。不过在设计字符编码时，我们还是习惯用16进制表示数字。即将23383写成0x5BD7，将134192写成0x20C30。

3.3 用基本数据类型表示字符（Character encoding form）

设计字符编码的第三层是用编程语言中的基本数据类型来表示字符。可以将这个层次理解成程序员看到的字符编码。在Unicode中，我们有很多方式将数字23383表示成程序中的数据，包括：UTF-8、UTF-16、UTF-32。UTF是“UCS Transformation Format”的缩写，可以翻译成Unicode字符集转换格式，即怎样将Unicode定义的数字转换成程序数据。例如，“汉字”对应的数字是0x6c49和0x5b57，而编码的程序数据是：

BYTE data_utf8[]={0xE6,0xB1,0x89,0xE5,0xAD,0x97}; // UTF-8编码
WORD data_utf16[]={0x6c49,0x5b57}; // UTF-16编码
DWORD data_utf32[]={0x6c49,0x5b57}; // UTF-32编码

这里用BYTE、WORD、DWORD分别表示无符号8位整数，无符号16位整数和无符号32位整数。UTF-8、UTF-16、UTF-32分别以BYTE、WORD、DWORD作为编码单位。

“汉字”的UTF-8编码需要6个字节。“汉字”的UTF-16编码需要两个WORD，大小是4个字节。“汉字”的UTF-32编码需要两个DWORD，大小是8个字节。4.2节会介绍将数字映射到UTF编码的规则。

3.4 作为字节流的字符（Character encoding scheme）

字符编码的第四层是计算机看到的字符，即在文件或内存中的字节流。例如，“字”的UTF-32编码是0x5b57，如果用little endian表示，字节流是“57 5b 00 00”。如果用big endian表示，字节流是“00 00 5b 57”。

字符编码的第三层规定了一个字符由哪些编码单位按什么顺序表示。字符编码的第四层在第三层的基础上又考虑了编码单位内部的字节序。UTF-8的编码单位是字节，不受字节序的影响。UTF-16、UTF-32根据字节序的不同，又衍生出UTF-16LE、UTF-16BE、UTF-32LE、UTF-32BE四种编码方案。LE和BE分别是Little Endian和Big Endian的缩写。

3.5 小结

通过四层模型，我们又把字符编码中发生的这些事情梳理了一遍。其实大多数代码页都不需要完整的四层模型，例如GB18030以字节为编码单位，直接规定了字节序列和字符的映射关系，跳过了第二层，也不需要第四层。

4 再谈Unicode

Unicode是国际组织制定的可以容纳世界上所有文字和符号的字符编码方案。Unicode用数字0-0x10FFFF来映射这些字符，最多可以容纳1114112个字符，或者说有1114112个码位。码位就是可以分配给字符的数字。UTF-8、UTF-16、UTF-32都是将数字转换到程序数据的编码方案。

Unicode字符集可以简写为UCS（Unicode Character Set）。早期的Unicode标准有UCS-2、UCS-4的说法。UCS-2用两个字节编码，UCS-4用4个字节编码。UCS-4根据最高位为0的最高字节分成2^7=128个group。每个group再根据次高字节分为256个平面（plane）。每个平面根据第3个字节分为256行 （row），每行有256个码位（cell）。group 0的平面0被称作BMP（Basic Multilingual Plane）。将UCS-4的BMP去掉前面的两个零字节就得到了UCS-2。

Unicode标准计划使用group 0 的17个平面: 从BMP（平面0）到平面16，即数字0-0x10FFFF。《谈谈Unicode编码》主要介绍了BMP的编码，本文将介绍完整的Unicode编码，并从多个角度浏览Unicode。本文的介绍基于Unicode 5.0.0版本。

4.1 浏览Unicode

先看一些数字：每个平面有2^16=65536个码位。Unicode计划使用了17个平面，一共有17*65536=1114112个码位。其实，现在已定义的码位只有238605个，分布在平面0、平面1、平面2、平面14、平面15、平面16。其中平面15和平面16上只是定义了两个各占65534个码位的专用区（Private Use Area），分别是0xF0000-0xFFFFD和0x100000-0x10FFFD。所谓专用区，就是保留给大家放自定义字符的区域，可以简写为PUA。

平面0也有一个专用区：0xE000-0xF8FF，有6400个码位。平面0的0xD800-0xDFFF，共2048个码位，是一个被称作代理区（Surrogate）的特殊区域。它的用途将在4.2节介绍。

238605-65534*2-6400-2408=99089。余下的99089个已定义码位分布在平面0、平面1、平面2和平面14上，它们对应着Unicode目前定义的99089个字符，其中包括71226个汉字。平面0、平面1、平面2和平面14上分别定义了52080、3419、43253和337个字符。平面2的43253个字符都是汉字。平面0上定义了27973个汉字。

在更深入地了解Unicode字符前，我们先了解一下UCD。

4.1.1 什么是UCD

UCD是Unicode字符数据库（Unicode Character Database）的缩写。UCD由一些描述Unicode字符属性和内部关系的纯文本或html文件组成。大家可以在Unicode组织的网站看到UCD的最新版本。

UCD中的文本文件大都是适合于程序分析的Unicode相关数据。其中的html文件解释了数据库的组织，数据的格式和含义。UCD中最庞大的文件无疑就是描述汉字属性的文件Unihan.txt。在UCD 5.0,0中，Unihan.txt文件大小有28,221K字节。Unihan.txt中包含了很多有参考价值的索引，例如汉字部首、笔划、拼音、使用频度、四角号码排序等。这些索引都是基于一些比较权威的辞典，但大多数索引只能检索部分汉字。

我介绍UCD的目的主要是为了使用其中的两个概念：Block和Script。

4.1.2 Block

UCD中的Blocks.txt将Unicode的码位分割成一些连续的Block，并描述了每个Block的用途：

开始码位	结束码位	Block名称（英文）	Block名称（中文）
0000	007F	Basic Latin	基本拉丁字母
0080	00FF	Latin-1 Supplement	拉丁字母补充-1
0100	017F	Latin Extended-A	拉丁字母扩充-A
0180	024F	Latin Extended-B	拉丁字母扩充-B
0250	02AF	IPA Extensions	国际音标扩充
02B0	02FF	Spacing Modifier Letters	进格修饰字符
0300	036F	Combining Diacritical Marks	组合附加符号
0370	03FF	Greek and Coptic	希腊文和哥普特文
0400	04FF	Cyrillic	西里尔文
0500	052F	Cyrillic Supplement	西里尔文补充
0530	058F	Armenian	亚美尼亚文
0590	05FF	Hebrew	希伯来文
0600	06FF	Arabic	基本阿拉伯文
0700	074F	Syriac	叙利亚文
0750	077F	Arabic Supplement	阿拉伯文补充
0780	07BF	Thaana	塔纳文
07C0	07FF	NKo	N'Ko字母表
0900	097F	Devanagari	天成文书（梵文）
0980	09FF	Bengali	孟加拉文
0A00	0A7F	Gurmukhi	锡克教文
0A80	0AFF	Gujarati	古吉拉特文
0B00	0B7F	Oriya	奥里亚文
0B80	0BFF	Tamil	泰米尔文
0C00	0C7F	Telugu	泰卢固文
0C80	0CFF	Kannada	卡纳达文
0D00	0D7F	Malayalam	德拉维族文
0D80	0DFF	Sinhala	僧伽罗文
0E00	0E7F	Thai	泰文
0E80	0EFF	Lao	老挝文
0F00	0FFF	Tibetan	藏文
1000	109F	Myanmar	缅甸文
10A0	10FF	Georgian	格鲁吉亚文
1100	11FF	Hangul Jamo	朝鲜文
1200	137F	Ethiopic	埃塞俄比亚文
1380	139F	Ethiopic Supplement	埃塞俄比亚文补充
13A0	13FF	Cherokee	切罗基文
1400	167F	Unified Canadian Aboriginal Syllabics	加拿大印第安方言
1680	169F	Ogham	欧甘文
16A0	16FF	Runic	北欧古字
1700	171F	Tagalog	塔加路文
1720	173F	Hanunoo	哈努诺文
1740	175F	Buhid	布迪文
1760	177F	Tagbanwa	Tagbanwa文
1780	17FF	Khmer	高棉文
1800	18AF	Mongolian	蒙古文
1900	194F	Limbu	林布文
1950	197F	Tai Le	德宏傣文
1980	19DF	New Tai Lue	新傣文
19E0	19FF	Khmer Symbols	高棉文
1A00	1A1F	Buginese	布吉文
1B00	1B7F	Balinese	巴厘文
1D00	1D7F	Phonetic Extensions	拉丁字母音标扩充
1D80	1DBF	Phonetic Extensions Supplement	拉丁字母音标扩充增补
1DC0	1DFF	Combining Diacritical Marks Supplement	组合附加符号补充
1E00	1EFF	Latin Extended Additional	拉丁字母扩充附加
1F00	1FFF	Greek Extended	希腊文扩充
2000	206F	General Punctuation	一般标点符号
2070	209F	Superscripts and Subscripts	上标和下标
20A0	20CF	Currency Symbols	货币符号
20D0	20FF	Combining Diacritical Marks for Symbols	符号用组合附加符号
2100	214F	Letterlike Symbols	似字母符号
2150	218F	Number Forms	数字形式
2190	21FF	Arrows	箭头符号
2200	22FF	Mathematical Operators	数学运算符号
2300	23FF	Miscellaneous Technical	零杂技术用符号
2400	243F	Control Pictures	控制图符
2440	245F	Optical Character Recognition	光学字符识别
2460	24FF	Enclosed Alphanumerics	带括号的字母数字
2500	257F	Box Drawing	制表符
2580	259F	Block Elements	方块元素
25A0	25FF	Geometric Shapes	几何形状
2600	26FF	Miscellaneous Symbols	零杂符号
2700	27BF	Dingbats	杂锦字型
27C0	27EF	Miscellaneous Mathematical Symbols-A	零杂数学符号-A
27F0	27FF	Supplemental Arrows-A	箭头符号补充-A
2800	28FF	Braille Patterns	盲文
2900	297F	Supplemental Arrows-B	箭头符号补充-B
2980	29FF	Miscellaneous Mathematical Symbols-B	零杂数学符号-B
2A00	2AFF	Supplemental Mathematical Operators	数学运算符号
2B00	2BFF	Miscellaneous Symbols and Arrows	零杂符号和箭头
2C00	2C5F	Glagolitic	格拉哥里字母表
2C60	2C7F	Latin Extended-C	拉丁字母扩充-C
2C80	2CFF	Coptic	科普特文
2D00	2D2F	Georgian Supplement	格鲁吉亚文补充
2D30	2D7F	Tifinagh	提非纳字母
2D80	2DDF	Ethiopic Extended	埃塞俄比亚文扩充
2E00	2E7F	Supplemental Punctuation	标点符号补充
2E80	2EFF	CJK Radicals Supplement	中日韩部首补充
2F00	2FDF	Kangxi Radicals	康熙字典部首
2FF0	2FFF	Ideographic Description Characters	汉字结构描述字符
3000	303F	CJK Symbols and Punctuation	中日韩符号和标点
3040	309F	Hiragana	平假名
30A0	30FF	Katakana	片假名
3100	312F	Bopomofo	注音符号
3130	318F	Hangul Compatibility Jamo	朝鲜文兼容字母
3190	319F	Kanbun	日文的汉字批注
31A0	31BF	Bopomofo Extended	注音符号扩充
31C0	31EF	CJK Strokes	中日韩笔划
31F0	31FF	Katakana Phonetic Extensions	片假名音标扩充
3200	32FF	Enclosed CJK Letters and Months	带括号的中日韩字母及月份
3300	33FF	CJK Compatibility	中日韩兼容字符
3400	4DBF	CJK Unified Ideographs Extension A	中日韩统一表意文字扩充A
4DC0	4DFF	Yijing Hexagram Symbols	易经六十四卦象
4E00	9FFF	CJK Unified Ideographs	中日韩统一表意文字
A000	A48F	Yi Syllables	彝文音节
A490	A4CF	Yi Radicals	彝文字根
A700	A71F	Modifier Tone Letters	声调修饰字母
A720	A7FF	Latin Extended-D	拉丁字母扩充-D
A800	A82F	Syloti Nagri	Syloti Nagri字母表
A840	A87F	Phags-pa	Phags-pa字母表
AC00	D7AF	Hangul Syllables	朝鲜文音节
D800	DB7F	High Surrogates	高位替代
DB80	DBFF	High Private Use Surrogates	高位专用替代
DC00	DFFF	Low Surrogates	低位替代
E000	F8FF	Private Use Area	专用区
F900	FAFF	CJK Compatibility Ideographs	中日韩兼容表意文字
FB00	FB4F	Alphabetic Presentation Forms	字母变体显现形式
FB50	FDFF	Arabic Presentation Forms-A	阿拉伯文变体显现形式-A
FE00	FE0F	Variation Selectors	字型变换选取器
FE10	FE1F	Vertical Forms	竖排标点符号
FE20	FE2F	Combining Half Marks	组合半角标示
FE30	FE4F	CJK Compatibility Forms	中日韩兼容形式
FE50	FE6F	Small Form Variants	小型变体形式
FE70	FEFF	Arabic Presentation Forms-B	阿拉伯文变体显现形式-B
FF00	FFEF	Halfwidth and Fullwidth Forms	半角及全角字符
FFF0	FFFF	Specials	特殊区域
10000	1007F	Linear B Syllabary	线形文字B音节文字
10080	100FF	Linear B Ideograms	线形文字B表意文字
10100	1013F	Aegean Numbers	爱琴海数字
10140	1018F	Ancient Greek Numbers	古希腊数字
10300	1032F	Old Italic	古意大利文
10330	1034F	Gothic	哥特文
10380	1039F	Ugaritic	乌加里特楔形文字
103A0	103DF	Old Persian	古波斯文
10400	1044F	Deseret	德塞雷特大学音标
10450	1047F	Shavian	肃伯纳速记符号
10480	104AF	Osmanya	Osmanya字母表
10800	1083F	Cypriot Syllabary	塞浦路斯音节文字
10900	1091F	Phoenician	腓尼基文
10A00	10A5F	Kharoshthi	迦娄士悌文
12000	123FF	Cuneiform	楔形文字
12400	1247F	Cuneiform Numbers and Punctuation	楔形文字数字和标点
1D000	1D0FF	Byzantine Musical Symbols	东正教音乐符号
1D100	1D1FF	Musical Symbols	音乐符号
1D200	1D24F	Ancient Greek Musical Notation	古希腊音乐符号
1D300	1D35F	Tai Xuan Jing Symbols	太玄经符号
1D360	1D37F	Counting Rod Numerals	算筹
1D400	1D7FF	Mathematical Alphanumeric Symbols	数学用字母数字符号
20000	2A6DF	CJK Unified Ideographs Extension B	中日韩统一表意文字扩充 B
2F800	2FA1F	CJK Compatibility Ideographs Supplement	中日韩兼容表意文字补充
E0000	E007F	Tags	标签
E0100	E01EF	Variation Selectors Supplement	字型变换选取器补充
F0000	FFFFF	Supplementary Private Use Area-A	补充专用区-A
100000	10FFFF	Supplementary Private Use Area-B	补充专用区-B

Block是Unicode字符的一个属性。属于同一个Block的字符有着相近的用途。Block表中的开始码位、结束码位只是用来划分出一块区域，在开始码位和结束码位之间可能还有很多未定义的码位。使用UniToy，大家可以按照Block浏览Unicode字符，既可以按列表显示：

也可以显示每个字符的详细信息：

4.1.3 Script

Unicode中每个字符都有一个Script属性，这个属性表明字符所属的文字系统。Unicode目前支持以下Script：

Script名称（英文）	Script名称（中文）	Script包含的字符数
Arabic	阿拉伯文	966
Armenian	亚美尼亚文	90
Balinese	巴厘文	121
Bengali	孟加拉文	91
Bopomofo	汉语注音符号	64
Braille	盲文	256
Buginese	布吉文	30
Buhid	布迪文	20
Canadian Aboriginal	加拿大印第安方言	630
Cherokee	切罗基文	85
Common	Common	5020
Coptic	科普特文	128
Cuneiform	楔形文字	982
Cypriot	塞浦路斯音节文字	55
Cyrillic	西里尔文	277
Deseret	德塞雷特大学音标	80
Devanagari	天成文书（梵文）	107
Ethiopic	埃塞俄比亚文	461
Georgian	格鲁吉亚文	120
Gothic	哥特文	94
Glagolitic	格拉哥里字母表	27
Greek	希腊文	506
Gujarati	古吉拉特文	83
Gurmukhi	锡克教文	77
Han	汉文	71570
Hangul	韩文书写系统	11619
Hanunoo	哈努诺文	21
Hebrew	希伯来文	133
Hiragana	平假名	89
Inherited	Inherited	461
Kannada	卡纳达文	86
Katakana	片假名	164
Kharoshthi	迦娄士悌文	65
Khmer	高棉文	146
Lao	老挝文	65
Latin	拉丁文系	1070
Limbu	林布文(尼泊尔东部)	66
Linear B	线形文字B	211
Malayalam	德拉维族文(印度)	78
Mongolian	蒙古文	152
Myanmar	缅甸文	78
New Tai Lue	新傣文	80
Nko	N'Ko字母表	59
Ogham	欧甘文字	29
Old Italic	古意大利文	35
Old Persian	古波斯文	50
Oriya	奥里亚文	81
Osmanya	Osmanya字母表	40
Phags Pa	Phags Pa字母表(蒙古)	56
Phoenician	腓尼基文	27
Runic	古代北欧文	78
Shavian	肃伯纳速记符号	48
Sinhala	僧伽罗文	80
Syloti Nagri	Syloti Nagri字母表(印度)	44
Syriac	叙利亚文	77
Tagalog	塔加路文(菲律宾)	20
Tagbanwa	Tagbanwa文(菲律宾)	18
Tai Le	德宏傣文	35
Tamil	泰米尔文	71
Telugu	泰卢固文(印度)	80
Thaana	马尔代夫书写体	50
Thai	泰国文	86
Tibetan	藏文	195
Tifinagh	提非纳字母表	55
Ugaritic	乌加里特楔形文字	31
Yi	彝文	1220

其中，有两个Script值有着特殊的含义：

• Common：Script属性为Common的字符可能在多个文字系统中使用，不是某个文字系统特有的。例如：空格、数字等。
• Inherited：Script属性为Inherited的字符会继承前一个字符的Script属性。主要是一些组合用符号，例如：在“组合附加符号”区（0x300-0x36f），字符的Script属性都是Inherited。

UCD中的Script.txt列出了每个字符的Script属性。使用UniToy可以按照Script属性查看字符。例如：

左侧Script窗口中，第一层节点是按英文字母顺序排列的Script属性。第二层节点是包含该Script文字的行（row），点击后显示该行内属于这个Script的字符。这样，就可以集中查看属于同一文字系统的字符。

4.1.4 Unicode中的汉字

前面提过，在Unicode已定义的99089个字符中，有71226个字符是汉字。它们的分布如下：

Block名称	开始码位	结束码位	数量
中日韩统一表意文字扩充A	3400	4db5	6582
中日韩统一表意文字	4e00	9fbb	20924
中日韩兼容表意文字	f900	fa2d	302
中日韩兼容表意文字	fa30	fa6a	59
中日韩兼容表意文字	fa70	fad9	106
中日韩统一表意文字扩充B	20000	2a6d6	42711
中日韩兼容表意文字补充	2f800	2fa1d	542

UCD的Unihan.txt中的部首偏旁索引（kRSUnicode）可以检索全部71226个汉字。kRSUnicode的部首是按照康熙字典定义的，共214个部首。简体字按照简体部首对应的繁体部首检索。UniToy整理了康熙字典部首对应的简体部首，提供了按照部首检索汉字的功能：

4.2 UTF编码

在字符编码的四个层次中，第一层的范围和第二层的编码在4.1节已经详细讨论过了。本节讨论第三层的UTF编码和第四层的字节序，主要谈谈第三层的UTF编码，即怎样将Unicode定义的编码转换成程序数据。

4.2.1 UTF-8

UTF-8以字节为单位对Unicode进行编码。从Unicode到UTF-8的编码方式如下：

Unicode编码(16进制)	UTF-8 字节流(二进制)
000000 - 00007F	0xxxxxxx
000080 - 0007FF	110xxxxx 10xxxxxx
000800 - 00FFFF	1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
010000 - 10FFFF	11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

UTF-8的特点是对不同范围的字符使用不同长度的编码。对于0x00-0x7F之间的字符，UTF-8编码与ASCII编码完全相同。UTF-8编码的最大长度是4个字节。从上表可以看出，4字节模板有21个x，即可以容纳21位二进制数字。Unicode的最大码位0x10FFFF也只有21位。

例1：“汉”字的Unicode编码是0x6C49。0x6C49在0x0800-0xFFFF之间，使用用3字节模板了：1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。将0x6C49写成二进制是：0110 1100 0100 1001， 用这个比特流依次代替模板中的x，得到：11100110 10110001 10001001，即E6 B1 89。

例2：“”字的Unicode编码是0x20C30。0x20C30在0x010000-0x10FFFF之间，使用用4字节模板了：11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。将0x20C30写成21位二进制数字（不足21位就在前面补0）：0 0010 0000 1100 0011 0000，用这个比特流依次代替模板中的x，得到：11110000 10100000 10110000 10110000，即F0 A0 B0 B0。

4.2.2 UTF-16

UniToy有个“输出编码”功能，可以输出当前选择的文本编码。因为UniToy内部采用UTF-16编码，所以输出的编码就是文本的UTF-16编码。例如：如果我们输出“汉”字的UTF-16编码，可以看到0x6C49，这与“汉”字的Unicode编码是一致的。如果我们输出“”字的UTF-16编码，可以看到0xD843, 0xDC30。“”字的Unicode编码是0x20C30，它的UTF-16编码是怎样得到的呢？

4.2.2.1 编码规则

UTF-16编码以16位无符号整数为单位。我们把Unicode编码记作U。编码规则如下：

• 如果U<0x10000，U的UTF-16编码就是U对应的16位无符号整数（为书写简便，下文将16位无符号整数记作WORD）。
• 如果U≥0x10000，我们先计算U'=U-0x10000，然后将U'写成二进制形式：yyyy yyyy yyxx xxxx xxxx，U的UTF-16编码（二进制）就是：110110yyyyyyyyyy 110111xxxxxxxxxx。

为什么U'可以被写成20个二进制位？Unicode的最大码位是0x10ffff，减去0x10000后，U'的最大值是0xfffff，所以肯定可以用20个二进制位表示。例如：“”字的Unicode编码是0x20C30，减去0x10000后，得到0x10C30，写成二进制是：0001 0000 1100 0011 0000。用前10位依次替代模板中的y，用后10位依次替代模板中的x，就得到：1101100001000011 1101110000110000，即0xD843 0xDC30。

4.2.2.2 代理区（Surrogate）

按照上述规则，Unicode编码0x10000-0x10FFFF的UTF-16编码有两个WORD，第一个WORD的高6位是110110，第二个WORD的高6位是110111。可见，第一个WORD的取值范围（二进制）是11011000 00000000到11011011 11111111，即0xD800-0xDBFF。第二个WORD的取值范围（二进制）是11011100 00000000到11011111 11111111，即0xDC00-0xDFFF。

为了将一个WORD的UTF-16编码与两个WORD的UTF-16编码区分开来，Unicode编码的设计者将0xD800-0xDFFF保留下来，并称为代理区（Surrogate）：

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